KR101736008B1 - 양방향 dc-dc컨버터를 이용한 능동 셀 밸런싱 장치 - Google Patents

양방향 dc-dc컨버터를 이용한 능동 셀 밸런싱 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다수의 배터리 셀이 직렬 연결되어 구성되어진 배터리 모듈에서 각각의 배터리 셀에 충전된 전하량을 밸런싱하기 위한 장치에 관한 것으로 특히, 배터리 모듈을 구성하는 다수의 배터리 셀 각각에 대하여 각 배터리 셀의 개방전압을 측정하는 배터리 셀 개방전압 검출부; 다수의 스위칭 소자로 구성되어 스위칭 제어신호에 따라 온/오프 동작하여 방전 혹은 충전이 요구되는 해당 배터리 셀에 대한 충방전 경로를 형성하기 위한 매트릭스 스위칭부; 제어신호에 따라 매트릭스 스위칭부내 스위칭 소자들의 온/오프 동작을 제어하기 위한 스위칭 제어신호를 출력하는 매트릭스 스위칭 제어 모듈; 매트릭스 스위칭부와 배터리 모듈에 연결 구성되며, 제어신호에 따라 배터리 셀 각각에 대해 충전 혹은 방전 전위를 걸어주기 위한 양방향 DC-DC 컨버터; 및 배터리 셀 개방전압 검출부에서 검출된 데이터를 기준으로 분석 연산하여 각 배터리 셀에 대한 과 충전 및 저 충전을 판단하고, 매트릭스 스위칭 제어 모듈을 제어하여 각 셀 중 어떤 셀을 연결할 것인지와, 양방향 DC-DC 컨버터를 제어하여 해당 컨버터의 동작 방향을 충전 할 것인지 혹은 방출할 것 인지를 결정하고, 배터리 모듈의 용량에 따른 충 방출의 전류량을 설정하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC컨버터를 이용한 능동 셀 밸런싱 장치에 관한 것이다.

Description

양방향 DC-DC컨버터를 이용한 능동 셀 밸런싱 장치{Device for active cell balancing using bidirectional DC-DC converter}
본 발명은 직렬 연결된 배터리 스트링의 전하 균일화를 위한 양방향 DC-DC컨버터를 이용한 능동 셀 밸런싱 장치에 관한 것으로, 특히 다수개의 배터리 셀로 이루어진 배터리 모듈에 대해 하나의 양방향 DC-DC컨버터를 이용하여 배터리 셀 각각에 대해 충전 혹은 방전을 수행할 수 있도록 하여 배터리 셀의 전하 균일도를 일정하게 유지할 수 있게 해주는 양방향 DC-DC컨버터를 이용한 능동 셀 밸런싱 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 리튬 이온 전지를 동력원으로 사용하는 하이브리드 자동차와 같이 단위 배터리(셀)의 기본 전위보다 높은 전위가 필요한 경우, 다수의 단위 배터리를 직렬 연결하여 사용하는 것이 통상적이다.
그러나, 통상적인 제조방법을 통해 제조된 배터리는 동일한 양극, 음극 및 전해질 물질을 이용하여 동일한 구조로 제조되었다 하더라도 직렬 연결된 배터리 각각의 충전 또는 방전(및 자가 방전) 특성에 차이가 존재하게 된다.
따라서, 직렬 연결된 배터리의 사용 시 단위 배터리의 전위차가 존재하게 되고, 이로 인해 직렬 연결된 단위 배터리 중 다른 배터리의 전위에 관계없이 하나의 배터리가 완전 방전되었을 경우에도 재충전이 필요하게 되며, 재충전 시에도 각각의 배터리의 전위가 서로 다름으로 인해 일정 전압에 먼저 도달한 배터리의 과충전 문제 및 몇몇 배터리의 과충전이 일어남에도 일정 전압에 아직 도달하지 못한 배터리가 존재하게 되는 충전 비효율의 문제가 있었다.
또한, 충방전 횟수가 많아지게 되면, 배터리를 구성하는 물질의 노화(degradation)가 발생하여 배터리의 특성이 달라지고 이러한 노화 현상은 개별 전지 간의 편차를 더욱 심화시키는 역기능을 하게 된다.
따라서, 이러한 문제점들을 해결하기 위해, 직렬로 연결된 배터리의 전하 균일화를 얻기 위한 다양한 전하 균일화 방안이 활발히 제안되고 있는 실정이다.
상술한 전하 균일 방안을 크게 2가지로 구분하면, 수동 셀 밸런싱(Passive cell balancing)과 능동 셀 밸런싱(Active cell balancing)으로 구분할 수 있는데, 우선 수동 셀 밸런싱(Passive cell balancing)에 따른 전하 균일 방안을 첨부한 도 1을 참조하여 간략히 살펴보면, 배터리 셀들 중 특정 셀의 전압이 다른 셀보다 높을 경우, 배터리 셀 양단에 병렬로 연결된 저항을 연결하여 해당 셀의 에너지를 저항을 통해 소비시킴으로써 전압을 감소시키고 있다. 그러나, 이 방법은 회로의 구성은 간단하나 충전 에너지를 저항을 통해 소모시킴으로써 셀 밸런싱의 효율이 낮으며, 셀 밸런싱 시간을 증대시키는 문제점이 있었다.
반면에, 능동 셀 밸런싱(Active cell balancing)에 따른 전하 균일 방안은 첨부한 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 셀 각각에 병렬 접속하는 양방향 DC-DC 컨버터를 구성함으로써, 과충전된 배터리 셀의 전압은 에너지 버스부로 방전되도록 제어하고, 저충전된 배터리 셀은 에너지 버스부에 공유된 잉여 전력이 해당 배터리 셀로 충전되도록 하여 셀 밸런싱이 이루어지도록 한다. 이러한 액티브 방식의 셀 밸런싱 방법은 대한민국 등록특허 제10-1165593호(양방향 디씨-디씨 컨버터를 이용한 배터리 관리 시스템의 셀 밸런싱 회로 장치)에 그 상세한 설명이 언급되어 있으므로, 이하에서는 그 상세한 설명을 생략한다.
상술한 능동 셀 밸런싱에 따른 전하 균일 방안은 첨부한 도 1에 도시된 수동 셀 밸런싱에 비하여 에너지 효율은 좋으나 셀당 1개의 양방향 DC-DC 컨버터를 사용 하므로 회로 및 콘트롤(Control)이 대단히 복잡하다는 문제점을 내재하고 있다.
본 발명은 위와 같은 종래의 셀 밸런싱에 따른 전하 균일 방안이 가지고 있는 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 직렬 연결된 배터리 스트링의 전하 균일화를 위한 특히, 다수 개의 배터리 셀로 이루어진 하나의 배터리 모듈에 대해 하나의 양방향 DC-DC컨버터를 이용하여 배터리 셀 각각에 대해 충전 혹은 방전을 수행할 수 있도록 하여 배터리 셀의 전하 균일도를 일정하게 유지할 수 있도록 하기 위한 양방향 DC-DC컨버터를 이용한 능동 셀 밸런싱 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 다수의 배터리 셀이 직렬 연결되어 구성되어진 배터리 모듈에서 각각의 배터리 셀에 충전된 전하량을 밸런싱하기 위한 장치에 있어서, 상기 배터리 모듈을 구성하는 다수의 배터리 셀 각각에 대하여 각 배터리 셀의 개방전압을 측정하는 배터리 셀 개방전압 검출부와; 다수의 스위칭 소자로 구성되어 스위칭 제어신호에 따라 온/오프 동작하여 방전 혹은 충전이 요구되는 해당 배터리 셀에 대한 충방전 경로를 형성하기 위한 매트릭스 스위칭부와; 제어신호에 따라 상기 매트릭스 스위칭부내 스위칭 소자들의 온/오프 동작을 제어하기 위한 스위칭 제어신호를 출력하는 매트릭스 스위칭 제어 모듈와; 상기 매트릭스 스위칭부와 배터리 모듈에 연결 구성되며, 제어신호에 따라 배터리 셀 각각에 대해 충전 혹은 방전 전위를 걸어주기 위한 양방향 DC-DC 컨버터; 및 상기 배터리 셀 개방전압 검출부에서 검출된 데이터를 기준으로 분석 연산하여 각 배터리 셀에 대한 과 충전 및 저 충전을 판단하고, 상기 매트릭스 스위칭 제어 모듈을 제어하여 각 셀 중 어떤 셀을 연결할 것인지와, 상기 양방향 DC-DC 컨버터를 제어하여 해당 컨버터의 동작 방향을 충전 할 것인지 혹은 방출할 것 인지를 결정하고, 상기 배터리 모듈의 용량에 따른 충 방출의 전류량을 설정하는 제어부를 포함하는 양방향 DC-DC컨버터를 이용한 능동 셀 밸런싱 장치를 제공한다.
또한, 상기 양방향 DC-DC 컨버터는 1차권선과 2차권선이 같은 방향으로 권선되어진 트랜스포머와; 상기 트랜스포머의 1차권선측의 전류 흐름을 제어하기 위한 1차측 회로부와; 상기 트랜스포머의 2차권선측의 전류 흐름을 제어하기 위한 2차측 회로부; 및 상기 제어부의 제어신호에 따라 상기 1차측 회로부와 2차측 회로부상의 회로에 흐르는 전류의 방향을 제어하기 위한 양방향 DC-DC 컨버터 콘트롤러를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 1차측 회로부는 상기 트랜스포머의 1차권선 출력단에 드레인 단자가 연결되어진 제3 NMOSFET와; 상기 제3 NMOSFET의 소스 단자와 공통으로 소스 단자가 연결되어진 PMOSFET와; 상기 제3 NMOSFET의 드레인 단자와 상기 PMOSFET의 드레인 단자에 양단이 연결되어진 콘덴서와; 상기 제3 NMOSFET와 PMOSFET의 공통 소스 단자와 접지사이에 양단이 연결되어진 제1 저항; 및 캐소드단자와 전압 노이즈를 줄이기 위한 평활용 애노드단자를 구비하되 상기 접지에 상기 캐소드단자가 연결되고 상기 트랜스포머의 1차권선 입력단에 상기 평활용 애노드단자가 연결되는 제1 캐패시터로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 2차측 회로부는 상기 트랜스포머의 2차권선 출력단에 드레인 단자가 연결되어진 제2 NMOSFET와; 상기 제2 NMOSFET의 소스 단자와 공통으로 소스 단자가 연결되어지고 상기 트랜스포머의 2차권선 출력단에 드레인 단자가 연결되어진 제1 NMOSFET와; 상기 제1 NMOSFET의 소스 단자와 상기 제2 NMOSFET의 소스 단자의 공통접점에 일단이 연결된 제2저항과; 상기 트랜스포머의 2차권선 입력단과 상기 제1 NMOSFET 드레인 단자의 공통접점에 일단이 연결된 코일; 및 상기 제2저항의 타단에 캐소드단자가 연결되고 상기 코일의 타단에 애노드단자가 연결되어진 2차권선 입력단에 전압 노이즈를 줄이기 위한 평활용 제2 캐패시터로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 양방향 DC-DC 컨버터 콘트롤러는 상기 제1 내지 제3 NMOSFET의 게이트 단자와 상기 PMOSFET의 게이트 단자에 FET 동작을 제어하기 위한 게이트 제어신호를 발생시키는 제1 내지 제4 단자를 구비하며; 상기 제1 NMOSFET의 소스 단자와 상기 제2 NMOSFET의 소스 단자의 공통접점의 전압상태를 검출하기 위한 상기 2차측 회로부 전압감지단과; 상기 제3 NMOSFET와 PMOSFET의 공통 소스 단자의 전압상태를 검출하기 위한 상기 1차측 회로부 전압감지단을 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 배터리 셀 개방전압 검출부는, N개의 배터리 셀이 직렬연결 구성되어 하나의 배터리 모듈이 완성되는 경우, 접지전위 검출 단자와 직렬 연결되어진 각각의 배터리 셀 전압단에 연결되는 N개의 전압 검출단에 걸리는 데이터를 검출 데이터로 하여 N번째 전압검출단과 N-1번째 전압검출단의 전압 차를 기준으로 N번째 배터리 셀의 충전상태를 감지하도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 매트릭스 스위칭부는 하나의 배터리 모듈내에 전압단과 접지단이 직렬연결된 N개의 배터리 셀이 존재하는 경우 {(N+1)+4}개의 스위칭 소자가 구비되며; N이 7인 경우 총 12개의 스위칭 소자가 구비되고, 그 중 제12 스위치와 제11 스위치는 상기 양방향 DC-DC 컨버터의 제1단자에 일단이 공통접점으로 병렬 연결되어지며, 제10 스위치와 제9 스위치는 상기 양방향 DC-DC 컨버터의 제2단자에 일단이 공통접점으로 병렬 연결되어지고, 상기 제12 스위치와 제10 스위치의 타단이 공통접점으로 연결되어지고, 상기 제11 스위치와 제9 스위치의 타단이 공통접점으로 연결되어지며, 상기 배터리 모듈내에 직렬 연결되어진 7개의 배터리 셀의 홀수번째 배터리 셀의 전압단에 일단이 연결되어진 제2, 제4, 제6, 제8 스위치의 타단은 상기 제12 스위치와 제10 스위치의 공통접점에 병렬 연결되어지고, 상기 7개의 배터리 셀의 홀수번째 셀의 접지단에 일단이 연결되어진 제1, 제3, 제5, 제7 스위치의 타단은 상기 제11 스위치와 제9 스위치의 공통접점에 병렬 연결되며; 상기 제1 내지 제12 스위치는 모두 매트릭스 스위칭 제어 모듈의 스위칭 제어신호에 의해 각각 온/오프 동작하게 되는 것이 바람직하다.
본 발명의 양방향 DC-DC컨버터를 이용한 능동 셀 밸런싱 장치에 의하면, 다수개의 배터리 셀로 이루어진 하나의 배터리 모듈에 대해 하나의 양방향 DC-DC컨버터를 이용하여 배터리 셀 각각에 대해 충전 혹은 방전을 수행할 수 있도록 하여 배터리 셀의 전하 균일도를 일정하게 유지할 수 있도록 함으로써, 회로 및 제어를 단순화할 수 있게 되며, 이를 통해 생산단가의 절감을 기대할 수 있게 된다.
도 1은 수동 셀 밸런싱의 대표적인 개념 예시도.
도 2는 능동 셀 밸런싱을 적용한 종래 기술의 구성 예시도.
도 3은 본 발명에 따른 양방향 DC-DC컨버터를 이용한 능동 셀 밸런싱 장치의 개념 예시도.
도 4는 도 3의 구성 중 양방향 DC-DC 컨버터의 세부 구성 예시도.
도 5는 본 발명에 따른 양방향 DC-DC컨버터를 이용한 능동 셀 밸런싱 장치의 세부 구성 예시도.
도 6은 도 4에 도시된 양방향 DC-DC 컨버터의 동작 시 배터리 모듈 내의 어떤 배터리 셀이 저충전 상태이기에 전체 배터리 모듈을 통해 해당 셀에 충전하는 경우의 제어신호 타임 예시도.
도 7 내지 도 13은 도 6의 타이밍 상태에 따라 도 4에 도시된 양방향 DC-DC 컨버터의 전류 흐름 예시도.
도 14는 도 6에 도시된 제어신호에 따른 본 발명의 능동 셀 밸런싱 장치의 전류 흐름 예시도.
도 15는 도 4에 도시된 양방향 DC-DC 컨버터의 동작 시 배터리 모듈 내의 어떤 배터리 셀이 과충전 상태이기에 전체 배터리 모듈로 방전하는 경우의 제어신호 타임 예시도.
도 16은 도 15에 도시된 제어신호에 따른 본 발명의 능동 셀 밸런싱 장치의 전류 흐름 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 양방향 DC-DC컨버터를 이용한 능동 셀 밸런싱 장치를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 양방향 DC-DC컨버터를 이용한 능동 셀 밸런싱 장치의 개념 예시도로서, 다수의 배터리 셀(BC: 이하 셀이라 칭함)이 직렬 연결되어 구성되어진 배터리 모듈(BM: 이하 모듈이라 칭함)의 셀 밸런싱 장치를 나타낸다.
삭제
따라서 본 발명에 따른 양방향 DC-DC컨버터를 이용한 능동 셀 밸런싱 장치의 구성을 첨부한 도 3을 참조하여 간략히 살펴보면, 모듈(BM)을 구성하는 셀(BC) 각각에 대하여 각 셀(BC)의 개방전압을 측정하는 배터리 셀 개방전압 검출부(BCVD)를 구비하고, 상기 배터리 셀 개방전압 검출부(BCVD)에서 검출된 데이터를 기준으로 방전 혹은 충전이 요구되는 해당 셀을 특정하여 해당 셀의 전압상태에 따른 충방전 경로를 선택하도록 하는 제어부(MCU)와, 다수의 스위칭 소자로 구성되어 스위칭 제어신호에 따라 온/오프 동작하여 방전 혹은 충전이 요구되는 해당 셀에 대한 충방전 경로를 형성하기 위한 매트릭스 스위칭부(MSM)와, 상기 제어부(MCU)의 제어신호에 따라 상기 매트릭스 스위칭부(MSM)내의 스위칭 소자들의 온/오프 동작을 제어하기 위한 스위칭 제어신호를 출력하는 매트릭스 스위칭 제어 모듈(MSCM), 및 상기 매트릭스 스위칭부(MSM)와 모듈(BM)에 연결 구성되며 상기 제어부(MCU)의 제어신호에 따라 셀(BC) 각각에 대해 충전 혹은 방전 전위를 걸어주기 위한 양방향 DC-DC 컨버터(DDC)로 구성된다.
이때, 상기 양방향 DC-DC 컨버터(DDC)의 세부적인 구성은 도 4에 도시된 바와 같이, 1차권선과 2차권선이 같은 방향으로 권선되어진 트랜스포머(TM)와, 상기 트랜스포머(TM)의 1차권선측의 전위를 제어하기 위한 1차측 회로부(참조번호 미부여)와, 상기 트랜스포머(TM)의 2차권선측의 전위를 제어하기 위한 2차측 회로부(참조번호 미부여), 및 상기 1차측 회로부와 2차측 회로부상의 회로에 흐르는 전류의 방향을 제어하기 위한 양방향 DC-DC 컨버터 콘트롤러(DDCC)로 구성되어진다.
이중에서 상기 1차측 회로부는 상기 트랜스포머(TM)의 1차권선 출력단에 드레인(D) 단자가 연결되어진 제3 NMOSFET(NMF3)와, 상기 제3 NMOSFET(NMF3)의 소스(S) 단자와 소스(S) 단자가 연결되어진 PMOSFET(PMF)와, 상기 제3 NMOSFET(NMF3)의 드레인(D) 단자와 상기 PMOSFET(PMF)의 드레인(D) 단자에 양단이 연결되어진 콘덴서(C)와, 상기 제3 NMOSFET(NMF3)와 PMOSFET(PMF)의 공통 소스(S) 단자와 접지사이에 양단이 연결되어진 제1 저항(R1), 및 상기 접지에 캐소드단자가 연결되고 상기 트랜스포머(TM)의 1차권선 입력단에 애노드단자가 연결되어진 제1 캐패시터(C1)로 구성되어진다.
또한, 상기 2차측 회로부는 상기 트랜스포머(TM)의 2차권선 출력단에 드레인(D) 단자가 연결되어진 제2 NMOSFET(NMF2)와, 상기 제2 NMOSFET(NMF2)의 소스(S) 단자와 소스(S) 단자가 연결되어지고 상기 트랜스포머(TM)의 2차권선 출력단에 드레인(D) 단자가 연결되어진 제1 NMOSFET(NMF1)와, 상기 제1 NMOSFET(NMF1)의 소스(S) 단자와 상기 제2 NMOSFET(NMF2)의 소스(S) 단자의 공통접점에 일단이 연결된 제2저항(R2)과, 상기 트랜스포머(TM)의 2차권선 입력단과 상기 제1 NMOSFET(NMF1) 드레인(D) 단자의 공통접점에 일단이 연결된 코일(L), 및 상기 제2저항(R2)의 타단에 캐소드단자가 연결되고 상기 코일(L)의 타단에 애노드단자가 연결되어진 제2 캐패시터(C2)로 구성되어진다.
또한, 상기 양방향 DC-DC 컨버터 콘트롤러(DDCC)는 상기 제1 내지 제3 NMOSFET(NMF1~NMF3)의 게이트(G) 단자와 상기 PMOSFET(PMF)의 게이트(G) 단자에 FET 동작을 제어하기 위한 게이트 제어신호를 발생시키는 단자(Gate 1~Gate 4)를 구비하며, 상기 제1 NMOSFET(NMF1)의 소스(S) 단자와 상기 제2 NMOSFET(NMF2)의 소스(S) 단자의 공통접점의 전압상태를 검출하기 위한 상기 2차측 회로부 전압감지단(V-Sense 2)과, 상기 제3 NMOSFET(NMF3)와 PMOSFET(PMF)의 공통 소스(S) 단자의 전압상태를 검출하기 위한 상기 1차측 회로부 전압감지단(V-Sense 1)을 구비한다.
상기와 같이 구성되는 양방향 DC-DC 컨버터(DDC)를 이용한 본 발명에 따른 능동 셀 밸런싱 장치를 첨부한 도 5를 참조하여 살펴보기로 한다.
도 5에 도시된 본 발명에 따른 능동 셀 밸런싱 장치의 예는 하나의 모듈(BM)내에 7개의 셀(BC)이 존재하는 경우의 회로 구성으로서, 우선 상기 배터리 셀 개방전압 검출부(BCVD)는, 하나의 배터리 모듈(BM)이 직렬로 7개의 배터리 셀(BC)이 연결 구성되어 있으므로, 접지전위 검출 단자(GND)와 직렬 연결되어진 각각의 배터리 셀 전압단에 연결되는 N(N=7)개의 전압 검출단에 걸리는 데이터를 검출 데이터로 하여 N번째 전압검출단과 N-1번째 전압검출단의 전압 차를 기준으로 N번째 배터리 셀의 충전상태를 감지하도록 한다.
즉, 상기 배터리 셀 개방전압 검출부(BCVD)에서 5번째 셀(BC5)의 충전상태를 감지하기 위해서는 5번째 셀(BC5)의 전압을 입력받는 S5단자의 검출전압과 4번째 셀(BC4)의 전압을 입력받는 S4단자의 검출전압의 차가 기준전압에 비해 높은지 아니면 낮은지를 비교 판단하는 것이다.
또한, 첨부한 도 5에 도시된 본 발명에 따른 능동 셀 밸런싱 장치에서 매트릭스 스위칭부(MSM)는 도시된 예에서와 같이, 하나의 모듈(BM)내에 7개의 셀(BC)이 존재하는 경우, 모두 12개의 스위칭 소자로 구현되어진다.
즉, 본 발명에 따른 매트릭스 스위칭부(MSM)를 구성하는 스위칭 소자의 개수는, 하나의 모듈(BM)내에 N개의 셀(BC)이 존재하는 경우 {(N+1)+4}개의 스위칭 소자가 필요하기 때문에, N이 7인 도시의 예에서는 상술한 바와같이 총 12개의 스위칭 소자가 필요하게 된다.
그 구성을 살펴보면, 제12 스위치(SW12)와 제11 스위치(SW11)는 상기 양방향 DC-DC 컨버터(DDC)의 B1단자에 일단이 공통접점으로 병렬 연결되어지며, 제10 스위치(SW10)와 제9 스위치(SW9)는 상기 양방향 DC-DC 컨버터(DDC)의 B2단자에 일단이 공통접점으로 병렬 연결되어지고, 상기 제12 스위치(SW12)와 제10 스위치(SW10)의 타단이 공통접점으로 연결되어지고, 상기 제11 스위치(SW11)와 제9 스위치(SW9)의 타단이 공통접점으로 연결되어진다.
또한, 상기 모듈(BM) 내에 직렬 연결되어진 7개의 셀(BC)의 홀수 번째 셀의 전압단에 일단이 연결되어진 제2, 제4, 제6, 제8 스위치(SW2, SW4, SW6, SW8)의 타단은 상기 제12 스위치(SW12)와 제10 스위치(SW10)의 공통접점에 병렬 연결되어진다. 또한, 상기 모듈(BM)내에 7개의 셀(BC)의 홀수 번째 셀의 접지단에 일단이 연결되어진 제1, 제3, 제5, 제7 스위치(SW1, SW3, SW5, SW7)의 타단은 상기 제11 스위치(SW11)와 제9 스위치(SW9)의 공통접점에 병렬 연결되어진다.
이때, 상기 제1 내지 제12 스위치(SW1~SW12)는 모두 매트릭스 스위칭 제어 모듈(MSCM)의 스위칭 제어신호에 의해 각각 온/오프 동작하게 된다.
그 외 구성 요소들의 연결 관계는 첨부한 도 3 혹은 도 4의 설명에서 언급되었기에 이하에서는 생략한다.
본 발명에 따른 양방향 DC-DC컨버터를 이용한 능동 셀 밸런싱 장치의 전반적인 동작 설명에 앞서 첨부한 도 6 내지 도 13을 참조하여 양방향 DC-DC컨버터(DDCC)의 동작을 살펴보면, 첨부한 도 6은 도 4에 도시된 양방향 DC-DC 컨버터의 동작 시 배터리 모듈 내의 어떤 배터리 셀이 저충전 상태이기에 전체 배터리 모듈을 통해 해당 셀에 충전하는 경우의 제어신호 타임 예시도이고, 도 7 내지 도 13도는 도 6의 타이밍 상태에 따라 도 4에 도시된 양방향 DC-DC 컨버터의 전류 흐름 예시도이다.
첨부한 도 6에서 a구간의 경우는 양방향 DC-DC컨버터(DDCC)내의 MOSFET소자 중 제1 NMOSFET(NMF1)와 PMOSFET(PMF)가 온동작 상태이기 때문에 트랜스포머(TM)는 동작하지 않고 있는 상태이며, 따라서 상기 트랜스포머(TM)의 1차측 회로와 2차측 회로내의 전압이 걸리는 흐름은 첨부한 도 7에 일점쇄선으로 도시된 바와 같다.
또한, 도 6에서 b구간의 경우는 양방향 DC-DC컨버터(DDCC)내의 모든 MOSFET가 오프 동작 상태이기 때문에 역시 상기 트랜스포머(TM)는 동작하지 않고 있는 상태이며, 따라서 상기 트랜스포머(TM)의 1차측 회로와 2차측 회로내의 전압이 걸리는 흐름은 첨부한 도 8에 일점쇄선으로 도시된 바와 같다.
또한, 도 6에서 c구간의 경우는 양방향 DC-DC컨버터(DDCC)내의 MOSFET소자 중 제3 NMOSFET(NMF3) 만이 온동작 상태이기 때문에 역시 상기 트랜스포머(TM)의 2차측권선에 유도전압이 걸리지는 않지만 첨부한 도 9에 도시된 바와 같이 1차측 권선에는 전압이 걸리게 된다. 1차측에 전류가 흐르게 되고 2차측 권선에 유도전압이 걸리게 되는데, 이는 첨부한 도 9에 도시된 바와 같다.
또한, 도 6에서 d구간의 경우는 양방향 DC-DC컨버터(DDCC)내의 MOSFET소자 중 제1 NMOSFET(NMF1)와 제3 NMOSFET(NMF3)가 온동작 상태이기 때문에 상기 트랜스포머(TM)는 1차측 권선에 걸리는 전압에 의해 2차측 권선에 유기전압이 유도되어 c구간 보다 큰 전류를 출력한다.정상 작동되며 따라서 1차측 권선에 걸리는 전압에 의해 1차측 권선에 유기전압이 유도되어 첨부한 도 10에 일점쇄선으로 도시된 바와 같이 전압이 걸리는 흐름을 갖는다.
이후 도 6에서 e구간의 경우는 첨부한 도 11과 같고, f구간의 경우는 첨부한 도 12와 같으며, g구간의 경우는 첨부한 도 13과 같다.
상술한 바와 같은 양방향 DC-DC컨버터(DDCC)의 동작에서 스위칭 소자인 MOSFET의 ON/Off Duty를 제어하는 방식은 제어부(MCU)에서 받은 제어신호에 의해 동작 방향과 전류량이 셋팅 되며, 방향은 MOSFET의 스위칭 조합으로 구현되며 충방출 전류량은 셋팅된 기준전압(Reference Voltage)과 절연형 양방향 DC-DC 컨버터의 1차측 회로와 2차측 회로에 구성된 전류 센싱용 저항인 제1저항(R1)과 제2저항(R2)을 통하여 피드백 되어지는 전압을 비교하여 구현한다.
상술한 바와 같이 양방향 DC-DC컨버터(DDCC)가 동작하는 경우 실제 본 발명에 따른 양방향 DC-DC컨버터를 이용한 능동 셀 밸런싱 장치의 전반적인 동작은 첨부한 도 14에 도시된 바와 같다.
첨부한 도 14는 모듈(BM)이 부하로 방전 하는 모드에서 5번 셀(BC5)이 타 셀(BC)에 비하여 개방 회로 전압이 제어부(MCU)에서 설정한 전압 보다 낮을 경우즉, 과방전 상태인 경우 전체 모듈(BM)에서 5번 셀(BC5)로 충전이 요구될 때의 예이다.
따라서, 매트릭스 스위치(MSM)는 제5 스위치(SW5)와 제6 스위치(SW6)를 온동작시키고, 제9 스위치(SW9)와 제12 스위치(SW12)를 온동작시킴에 따라 B1단자와 5번 셀(BC5)의 전압단이 연결되고, B2단자와 5번 셀(BC5)의 접지단이 연결되어진다. 이후 절연형 양방향 DC-DC 컨버터(DDC)는 첨부한 도 6에 도시된 타이밍도에 따라 MOSFET의 스위칭 제어를 수행하고 실제적으로 도 6의 d구간의 상태를 유지하게 된다.
이에 5번 셀(BC5)의 양단에는 모듈(BM)에서 부하측으로 모듈(BM)에서부터 전달되는 전압의 일부가 유도전압으로 걸리게 되며, 그에 따라 5번 셀(BC5)은 저충전 상태에서 방전되는 것이 아니라 방전되는 것과 동시에 일정 부분 충전되어짐에 따라 타셀 전압과 일정부분 동일한 전압 상태를 유지하게 되어, 모듈(BM) 전체의 전압유지 사용시간을 최대로 하는 효과를 갖는다.
상술한 동작 과정을 "모듈 ⇒ 셀"동작 모드라 지칭하며, 임의의 셀(BC)이 저충전 상태일 때 모듈(BM)의 방전 전압이 저충전 상태의 해당 셀(BC)에 양방향 DC-DC 컨버터(DDC)를 통해 유기전압의 형태로 걸리게 됨에 따라 각 셀(BC)의 전압 밸런싱을 조절할 수 있게 된다.
반면에 상술한 동작과 반대의 동작 즉, 모듈(BM)내의 어떤 셀(BC)이 과충전 상태인 경우 이를 해소하기 위해 해당 셀(BC)에 과충전되어진 전하를 전체 모듈(BM)로 방전하는 경우는 첨부한 도 15와 도 16에 도시되어져 있다.
상기 도 15와 도 16의 동작 설명은 전술한 도 6 내지 도 14의 설명과 동작 방향만 다를 뿐 실질적으로 중복되기 때문에, 이하에서 그 상세한 설명은 생략한다.
이상의 설명에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 양방향 DC-DC컨버터를 이용한 능동 셀 밸런싱 장치는 다수개의 배터리 셀로 이루어진 하나의 배터리 모듈에 대해 하나의 양방향 DC-DC컨버터를 이용하여 배터리 셀 각각에 대해 충전 혹은 방전을 수행할 수 있도록 하여 배터리 셀의 전하 균일도를 일정하게 유지할 수 있도록 함으로써, 회로 및 제어를 단순화하며 이를 통한 생산단가의 절감을 기대 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 다수의 배터리 셀이 직렬 연결되어 구성되어진 배터리 모듈을 구성하는 다수의 배터리 셀 각각에 대하여 각 배터리 셀의 개방전압을 측정하는 배터리 셀 개방전압 검출부와; 다수의 스위칭 소자로 구성되어 스위칭 제어신호에 따라 온/오프 동작하여 방전 혹은 충전이 요구되는 해당 배터리 셀에 대한 충방전 경로를 형성하기 위한 매트릭스 스위칭부와; 제어신호에 따라 상기 매트릭스 스위칭부내 스위칭 소자들의 온/오프 동작을 제어하기 위한 스위칭 제어신호를 출력하는 매트릭스 스위칭 제어 모듈과; 상기 매트릭스 스위칭부와 배터리 모듈에 연결 구성되며, 제어신호에 따라 배터리 셀 각각에 대해 충전 혹은 방전 전위를 걸어주기 위한 양방향 DC-DC 컨버터; 및 상기 배터리 셀 개방전압 검출부에서 검출된 데이터를 기준으로 분석 연산하여 각 배터리 셀에 대한 과충전 및 저충전을 판단하고, 상기 매트릭스 스위칭 제어 모듈을 제어하여 각 셀 중 어떤 셀을 연결할 것인지와, 상기 양방향 DC-DC 컨버터를 제어하여 해당 컨버터의 동작 방향을 충전할 것인지 혹은 방출할 것인지를 결정하고, 상기 배터리 모듈의 용량에 따른 충 방출의 전류량을 설정하는 제어부를 포함하는 양방향 DC-DC컨버터를 이용한 능동 셀 밸런싱 장치에 있어서:
    상기 양방향 DC-DC 컨버터는, 1차권선과 2차권선이 같은 방향으로 권선되어진 트랜스포머와; 상기 트랜스포머의 1차권선측의 전류 흐름을 제어하기 위한 1차측 회로부와; 상기 트랜스포머의 2차권선측의 전류 흐름을 제어하기 위한 2차측 회로부; 및 상기 제어부의 제어신호에 따라 상기 1차측 회로부와 2차측 회로부 상의 회로에 흐르는 전류의 방향을 제어하기 위한 양방향 DC-DC 컨버터 콘트롤러를 포함하고;
    상기 1차측 회로부는, 상기 트랜스포머의 1차권선 출력단에 드레인 단자가 연결되어진의 전류를 펄스폭 가변(PWM) 형태로 스위칭하는 제3 NMOSFET; 상기 제3 NMOSFET의 소스 단자와 공통으로 소스 단자가 스위칭 시 발생하는 과도현상(Over Shoot)을 제거하는 드레인 소스 단자와 병렬 연결되어진 PMOSFET; 상기 제3 NMOSFET의 드레인 단자와 상기 PMOSFET의 드레인 단자에 양단이 연결되어진 콘덴서; 상기 제3 NMOSFET와 PMOSFET의 공통 소스 단자와 접지사이에 양단이 연결되어 상기 트랜스포머의 1차권선의 전류를 제어하기 위한 전류검출용 제1 저항; 및 캐소드단자와 전압 노이즈를 줄이기 위한 평활용 애노드단자를 구비하되 상기 접지에 상기 캐소드단자가 연결되고 상기 트랜스포머의 1차권선 입력단에 상기 평활용 애노드단자가 연결되는 제1 캐패시터를 포함하며;
    상기 2차측 회로부는, 상기 트랜스포머의 2차권선 출력단에 드레인 단자가 연결되어진 상기 트랜스포머의 2차권선의 전류를 펄스폭 가변(PWM) 형태로 스위칭 하는 제2 NMOSFET; 상기 제2 NMOSFET의 소스 단자와 공통으로 소스 단자가 연결되어지고 상기 트랜스포머의 2차권선 출력단에 드레인 단자가 연결되어진 제1 NMOSFET; 상기 제1 NMOSFET의 소스 단자와 상기 제2 NMOSFET의 소스 단자의 공통접점에 일단이 연결된 상기 트랜스포머의 2차권선의 전류를 제어하기 위한 전류검출용 제2저항; 상기 트랜스포머의 2차권선 입력단과 상기 제1 NMOSFET 드레인 단자의 공통접점에 일단이 연결된 코일; 및 상기 제2저항의 타단에 캐소드단자가 연결되고 상기 코일의 타단에 애노드단자가 연결되어진 상기 트랜스포머의 2차권선 입력단자에 연결되어진 평활용 제2 캐패시터;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC컨버터를 이용한 능동 셀 밸런싱 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 양방향 DC-DC 컨버터 콘트롤러는,
    상기 제1 NMOSFET의 게이트 단자에 FET 동작을 제어하기 위한 게이트 제어신호를 발생시키는 제1 단자와;
    상기 제2 NMOSFET의 게이트 단자에 FET 동작을 제어하기 위한 게이트 제어신호를 발생시키는 제2 단자와;
    상기 제3 NMOSFET의 게이트 단자에 FET 동작을 제어하기 위한 게이트 제어신호를 발생시키는 제3 단자와;
    상기 PMOSFET의 게이트 단자에 FET 동작을 제어하기 위한 게이트 제어신호를 발생시키는 제4 단자와;
    상기 제1 NMOSFET의 소스 단자와 상기 제2 NMOSFET의 소스 단자의 공통접점의 전압상태를 검출하기 위한 상기 2차측 회로부 전압감지단; 및
    상기 제3 NMOSFET와 PMOSFET의 공통 소스 단자의 전압상태를 검출하기 위한 상기 1차측 회로부 전압감지단;을 구비하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC컨버터를 이용한 능동 셀 밸런싱 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 셀 개방전압 검출부는, N개의 배터리 셀이 직렬연결 구성되어 하나의 배터리 모듈이 완성되는 경우, 접지전위 검출 단자와 직렬 연결되어진 각각의 배터리 셀 전압단에 연결되는 N개의 전압 검출단에 걸리는 데이터를 검출 데이터로 하여 N번째 전압검출단과 N-1번째 전압검출단의 전압 차를 기준으로 N번째 배터리 셀의 충전상태를 감지하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC컨버터를 이용한 능동 셀 밸런싱 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 매트릭스 스위칭부는,
    하나의 배터리 모듈내에 전압단과 접지단이 직렬연결된 N개의 배터리 셀이 존재하는 경우 {(N+1)+4}개의 스위칭 소자가 구비되며;
    N이 7인 경우 총 12개의 스위칭 소자가 구비되고, 그 중 제12 스위치와 제11 스위치는 상기 양방향 DC-DC 컨버터의 제1단자에 일단이 공통접점으로 병렬 연결되어지며, 제10 스위치와 제9 스위치는 상기 양방향 DC-DC 컨버터의 제2단자에 일단이 공통접점으로 병렬 연결되어지고, 상기 제12 스위치와 제10 스위치의 타단이 공통접점으로 연결되어지고, 상기 제11 스위치와 제9 스위치의 타단이 공통접점으로 연결되어지며, 상기 배터리 모듈내에 직렬 연결되어진 7개의 배터리 셀의 홀수번째 배터리 셀의 전압단에 일단이 연결되어진 제2, 제4, 제6, 제8 스위치의 타단은 상기 제12 스위치와 제10 스위치의 공통접점에 병렬 연결되어지고, 상기 7개의 배터리 셀의 홀수번째 셀의 접지단에 일단이 연결되어진 제1, 제3, 제5, 제7 스위치의 타단은 상기 제11 스위치와 제9 스위치의 공통접점에 병렬 연결되며;
    상기 제1 내지 제12 스위치는 모두 매트릭스 스위칭 제어 모듈의 스위칭 제어신호에 의해 각각 온/오프 동작하게 되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC컨버터를 이용한 능동 셀 밸런싱 장치.
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